李文正, 董敏鵬, 蘇子寬, 李金龍

(1.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所 中國(guó)科學(xué)院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室浙江省海洋材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 寧波 315201；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心, 北京 100049)

模具是制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝裝備，也被稱為“制造業(yè)之母”。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低，已成為衡量一個(gè)地區(qū)制造水平高低的重要標(biāo)志[1]。目前，全世界模具市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)1 000億美元，其中日本、德國(guó)、美國(guó)、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家憑借其先進(jìn)的模具生產(chǎn)技術(shù)、卓越的設(shè)計(jì)能力和技藝精良的工人,在全球模具行業(yè)保持領(lǐng)先地位,我國(guó)模具制造業(yè)產(chǎn)值占全球的三分之一。S136模具鋼因其良好的耐蝕性、鏡面拋光性能與熱疲勞性能得到廣泛應(yīng)用[2]。但是，熱處理工藝不合理會(huì)使S136鋼模具產(chǎn)生各種缺陷，從而在服役過(guò)程中產(chǎn)生斷裂失效[3]。本研究中的S136鋼模具是以壓鑄或鍛壓成型方法制造的，S136鋼模具在鍛造加工成型過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂，針對(duì)斷口處進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)，以避免該類問(wèn)題的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

采用MAXx16-M型火花直讀光譜儀測(cè)定該失效S136鋼模具的化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)查閱對(duì)比發(fā)現(xiàn)該鋼模具的化學(xué)成分符合S136鋼模具成分與一般S136鋼模具成分差異不大[4-5]。

表1 S136鋼模具的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of S136 steel die %

1.2 斷口分析

采用FEI Quanta FEG 250型掃描電鏡對(duì)該失效S136鋼模具斷口進(jìn)行宏觀和微觀觀察。金屬零件的斷裂過(guò)程大概分為裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展及失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段[6-7]。分析模具斷裂的失效機(jī)制，判斷裂紋產(chǎn)生的位置最為關(guān)鍵。如圖1所示，該失效S136鋼模具的斷口凹凸不平，斷口表面未見(jiàn)明顯缺陷。進(jìn)一步對(duì)圖1方框處斷口開(kāi)裂源區(qū)域進(jìn)行微觀形貌觀察。由圖2可知，斷口未見(jiàn)夾雜物和折疊等缺陷，斷口表面主要以韌窩形貌為主，有輕微的河流狀解理特征，韌窩內(nèi)存在大量顆粒狀碳化物，晶界處可見(jiàn)少量微裂紋。

圖1 S136鋼模具斷口的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of S136 steel die fracture

圖2 S136鋼模具斷口的微觀形貌Fig.2 Micro morphology of fracture of S136 steel die:a) low magnification; b) high magnification

1.3 顯微組織觀察

在失效S136鋼模具斷口截取試樣，依次使用丙酮溶液與酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行超聲清洗，以去除試樣表面的附著物，對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌、拋光后，分別用由2.5 mL硝酸+45 mL酒精配制的硝酸酒精溶液和由25 mL乙醇+25 mL鹽酸+5 g氯化鐵配制的鹽酸氯化鐵對(duì)試樣進(jìn)行擦拭腐蝕，采用Leica DM2500 M型金相顯微鏡對(duì)其表面進(jìn)行觀察。

如圖3a)和圖3b)所示，其晶粒為等軸晶，晶粒尺寸為20～30 μm，晶粒內(nèi)部與晶界處均分布著碳化物顆粒，且晶界處的碳化物顆粒較多。硝酸酒精腐蝕性較弱，所以S136鋼模具的顯微組織形貌不夠清晰。如圖3c)和圖3d)所示，S136鋼模具的顯微組織主要為回火馬氏體[8]，在馬氏體晶粒內(nèi)部及周圍均可見(jiàn)大量白色碳化物顆粒，碳化物尺寸為0.5～3 μm。

圖3 S136模具鋼經(jīng)不同溶液腐蝕后的顯微組織Fig.3 Microstructure of S136 die steel after corrosion by different solutions:a)nitric alcohol, low magnification; b) nitric alcohol, high magnification; c) hydrochloric ferric chloride, low magnification;d) hydrochloric ferric chloride, high magnification

1.4 硬度測(cè)試

采用HR-150A型洛氏硬度儀，隨機(jī)在失效S136鋼模具表面選取六個(gè)位置進(jìn)行硬度測(cè)試，其洛氏硬度分別為54.1，54.2，54.2，53.9，54.1，54.2 HRC，失效S136模具鋼的硬度較高，略大于S136模具鋼的正常硬度(52 HRC)。

采用MTS G200型納米壓痕儀，在S136鋼模具表面40×40 μm2區(qū)域內(nèi)、測(cè)試點(diǎn)按照20×20矩陣進(jìn)行表面硬度測(cè)試,并繪制硬度分布圖，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，S136模具鋼的硬度為4～6 GPa，平均硬度約為5 GPa，碳化物所在區(qū)域硬度異常高，硬度約為11 GPa。

圖4 S136鋼模具的硬度分布圖Fig.4 Hardness map of S136 steel die

2 分析與討論

S136鋼模具的化學(xué)成分均符合一般要求。該失效模具用鋼的顯微組織為回火馬氏體，硬度約為54 HRC，組織中存在大量微米級(jí)碳化物。碳化物硬度約為11 GPa，基體硬度約為5 GPa，晶界位置碳化物分布較多，這弱化了晶界的強(qiáng)度，導(dǎo)致材料脆性增加。斷口分析表明：晶界位置可見(jiàn)少量微裂紋，這進(jìn)一步驗(yàn)證了碳化物弱化晶界，導(dǎo)致晶界處在外力作用下形成微裂紋。在S136鋼模具壓鑄或鍛壓成型過(guò)程中，模具受到外界載荷作用，碳化物分布較多的晶界因強(qiáng)度較低而產(chǎn)生微裂紋，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致模具整體開(kāi)裂。綜合以上分析，S136鋼模具斷裂的原因是其晶界存在的大量碳化物，導(dǎo)致材料脆性增加。

3 結(jié)論

S136鋼模具斷裂的原因是其晶界處存在的大量碳化物，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低脆性增加，在外部載荷作用下萌生裂紋并擴(kuò)展。